Cold spray 3D Printing

فرایند cold spray، که به آن رسوب ذرات مافوق صوت نیز گفته می شود، یک پوشش حالت جامد با انرژی بالا و فرآیند تثبیت پودر است. یک روش کارآمد برای استفاده از فلز، آلیاژهای فلز و ترکیبات آن در کاربردهای مختلف است.

پرینت سه بعدی کلد اسپری از یک گاز حاملِ تحت فشار گرم شده به صورت الکتریکی مانند نیتروژن و هلیوم استفاده می کند، تا فلزهای پودری را در طول یک نازل مافوق صوت de Laval، بالاتر از سرعت بحرانی شتاب دهد. هنگام برخورد ذرات فلز با سطح قطعه، به دلیل انرژی جنبشی بالا که باعث تغییر شکل و چسبندگی ذرات به یکدیگر می شود، مکانیزم اتصال که ترکیبی از پیوند متالوژی و همبندی مکانیکی است را بوجود می آورد.

کلد اسپری می تواند با تولید مخلوطی از مواد فلزی و غیرفلزی یک پوشش سطحی یا یک قطعه مستقل را ایجاد کند، به همین دلیل از این تکنولوژی در صعنت برای پوشش دهی و ساخت قطعات بزرگ استفاده می شود.

برای مثال یک شرکت آلمانی با همکاری شرکت بریتانیایی پروژه ای برای آزمایش کاربرد cold spray در صنعت ساخت موتور جت های تجاری راه اندازی کرده اند.

موتورهای موشک تجاری جدید به فرآیندهای سریع و کم هزینه AM ( Additive Manufacturing ) نیاز دارند که انعطاف کافی برای واکنش به تقاضای در حال تغییر پرتاب ها را فراهم کند. در چند سال گذشته، به دلیل آزادی طراحی و رواج آن در بازار، توجه قابل توجهی به پودر بستر فیوژن ( PBF ) شده است. با این حال، تکنیک‌های PBF می‌تواند چالش‌هایی را برای تولید محفظه احتراق ایجاد کند، مانند ابعاد محفظه ساخت محدود، مواد محدود و در نتیجه زبری سطح بالا ( به ویژه در دیواره‌های کانال خنک‌کننده ) که می‌تواند راندمان را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

فرآیند cold spray  توانایی غلبه بر این محدودیت ها را دارد و راه حلی بالقوه برای تولید محفظه های احتراق با خواص برتر بدون محدودیت اندازه محفظه ارائه می دهد. برای امتحان این موضوع، یک محفظه احتراق به همراه منیفولد ورودی مطابق با دستورالعمل های خاص طراحی شده که جنس لایه داخلی آلیاژی از مس با استحکام بالا است و جنس پوشش بیرونی از اینکونل ( Inconel ) .

نمونه آزمایشی نشان می دهد که فرایند پرینت سه بعدی کلد اسپری موثر تر از دیگر فرآیندها شناسایی شده است. مزایای این روش در مقایسه با دیگر روش ها به شرح زیر است:

1. بدون نیاز به محفظه محافظ
2. تکنیک اتصال ساده مواد غیر مشابه مانند آلیاژها
3. تنش حرارتی ناچیز
4. رفع مشکل زبری کانال خنک کننده
5. امکان بررسی مجدد در طول پروسه تولید
6. قابلیت تعمیر نمونه های اولیه
7. امکان اتصال قطعات اضافی بدون جوشکاری ( مانند سر انژکتور، پایه های محرک )

با به کارگیری تکنولوژی پرینت سه بعدی کلد اسپری می توان بر بسیاری از محدودیت ها در صنعت غلبه کرد و قطعاتی دقیق تر و کارآمد تر ساخت.

پرینت سه بعدی WAAM

 Wire arc additive manufacturing یک روش پرینت سه بعدی است که سال ها در صنایع سنگین و هوا فضا استفاده می شود. در دهه هفتاد میلادی، این روش shape welding نامیده می شد، اما از آن زمان تا کنون تغییرات زیادی داشته است. به طوری که امروزه با به کار بردن این روش در تولید، صنایع سنگین، صنایع دفاعی و هوافضا می توان قطعات بزرگ فلزی را با زمان و هزینه کمتری نسبت به آهنگری، ریخته گری یا ماشین کاری سنتی تولید کرد.

در این روش از یک سیم فلزی به عنوان مواد اولیه و از قوس الکتریکی به عنوان منبع انرژی استفاده می شود، که بسیار شبیه به جوشکاری است. قوس الکتریکی، سیم فلزی را ذوب می کند و توسط یک بازوی رباتیک به صورت لایه ای بر روی لایه ای دیگر مواد را روی سطحی، مانند میز گردان چند محوره، رسوب گذاری می کند. درست همانند جوشکاری، یک گاز بی اثر برای جلوگیری از اکسیداسیون و بهبود یا کنترل خواص فلز استفاده می شود.

این فرآیند به تدریج قطعه ای کامل تولید می کند و یا قطعه ای را تعمیر می کند. در این روش هیچ گونه ساختار ساپورت، برای حذف وجود ندارد. بعد از اتمام فرآیند، قطعه پرینت سه بعدی را می توان توسط CNC پرداخت کرد که در این صورت قطعه دقت بالایی خواهد داشت یا در صورت لزوم می توان سطح قطعه پرینت سه بعدی را جلا داد. به طور معمول، قطعات چاپ شده برای از بین بردن هرگونه تنش باقیمانده، عملیات حرارتی دریافت می کنند.

WAAN بر اساس روش های ثابت شده و شناخته شده و نتایج مواد جوشکاری است. اگرچه WAAM در طول فرآیند، از نرم افزارهای پیچیده برای کنترل فهرست متغیر های خود استفاده می کند اما آشنایی با روش کلی این فرآیند، شرکت های بیشتری را به این تکنولوژی جذب می کند.

ممکن است که WAAN  به نام های دیگری نیز شناخته شود زیرا که شرکت ها تلاش می کنند که تکنولوژی خود را پر قدرت تر و متفاوت تر از رقیبان خود نشان دهند. با این وجود روش هایی که به جای قوس الکتریکی از لیزر یا پرتو الکترونی به همراه سیم فلزی استفاده می کنند در دسته بندی دیگری قرار می گیرند که به آن پرینتر سه بعدی directed energy deposition (DED) می گویند.

WAAN مقرون به صرفه ترین روش بین تکنولوژی های DED در نظر گرفته می شود. زیرا می تواند از ربات های جوش قوسی و منابع انرژی موجود و علاوه بر آن از مواد جوشکاری در دسترس استفاده کند، بنابراین امکان منع ورود WAAM به صنعت تقریبا پایین است. تکنولوژی قوس الکتریکی WAAN ،که شامل قوس پلاسما نیز می شود، در مقایسه با پرتو الکترونی و لیزر در سایر انواع پرینتر های DED ارزان تر و ایمن تر است. همچنین به محفظه خلأ نیز نیاز ندارد.

شاخص ترین ویژگی تکنولوژی WAAM برای فروش، پرینت سریع و اقتصادی اجسام بزرگ فلزی است. اما این تکنولوژی جذابیت های دیگر نیز دارد که در ادامه به برخی از این ویژگی ها اشاره می کنیم.

• WAAM می تواند هر فلز قابل جوشکاری را پرینت کند.
• WAAM حجم و سرعت بالایی دارد (به سرعت قطعات را پرینت می کند).
• WAAM به شدت مصرف مواد خام و اتلاف آن را کاهش می دهد.
• WAAM توانایی ساختن قطعات بسیار بزرگ را دارد.
• WAAM از تکنولوژی جوشکاری استفاده می کند.
• WAAM امکان طراحی هندسه های پیچیده را فراهم می کند.
• WAAM بر اساس قوس جوشکاری است بنابراین رفتار مواد و فرآیند شناخته شده است.

پرینت سه بعدی و فضا

یک شرکت آمریکایی( Launcher ) با کمک تکنولوژی پرینت سه بعدی شروع به ارتقای قطعات موتور جت E-2 خود کرده.

موتور E-2 برای تولید 22000 پوند نیروی رانش در سطح دریا با استفاده از RP-1، شکل بسیار تصفیه شده نفت سفید، و اکسیژن مایع به عنوان پیش رانش طراحی شده است. این موتور به وسیله نقلیه لانچر لایت این شرکت نیرو می‌دهد، که می‌تواند با اولین پرتابش که برای سال 2024 برنامه ریزی شده است، محموله‌هایی تا 330 پوند را به مدار پایین زمین ( LEO ) برساند. که طبق گزارشات، بزرگ‌ترین قسمت از نوع خود با ارتفاع 860 میلی‌متر بوده و به صورت سه بعدی در یک قطعه چاپ شده است.

به گفته لانچر، این محفظه بیشترین نیروی رانش را تولید می کند، کمترین مصرف پیشران را دارد و هزینه کمتری به ازای هر پوند رانش را در کلاس پرتابگرهای ماهواره کوچک ارائه می دهد. موتورهای E-2 لانچر از آلیاژ مس با کارایی بالا پرینت سه بعدی می شوند و به گونه ای طراحی شده اند که برای رسیدن به مدار به پیشرانه کمتری نیاز دارند.

پرینتر سه بعدی

پرینتر سه بعدی دستگاهی حاصل از تخیلات بی حد و مرز بشر است که جهت کاهش هزینه و زمان ساخت و نمونه اولیه قطعات ، به عنوان بهترین و سریعترین انتخاب محسوب می شود .

پرینتر های سه بعدی جهت قابل لمس  کردن و واقعی کردن طرح ها و ایده های شما بهترین گزینه هستند.

پرینتر سه بعدی برای طراحی صنعتی ، طراحی نمونه قطعات خودرو، هوا فضا، تجهیزات کمیاب و خاص، مهندسان مکانیک، الکترونیک، مکاترونیک، معماری و...  مورد استفاده قرار می گیرد .

قطعات تولید شده توسط پرینتر سه بعدی دقیق، سریع، ارزان و محکم هستند که در موارد زیر کاربرد دارند :

1. ساخت انواع قطعات بدون طی کردن فرآیند های پیچیده ساخت و تولید.

2. بررسی ایده و طراحی انجام شده بر اساس مدل واقعی پرینت شده.

3. ساخت قالب رزینی یا تزریق پلاستیک برای قطعه مورد نظر.

4. صنعت ریخته گری، صنعت هوا فضا، صنایع نظامی .

5. معماری و ماکت سازی، ساخت بدنه سیستم های الکترونیکی و رباتیک، پزشکی جهت ساخت پروتز 

6. مجسمه سازی و نمونه کارهای هنری ، تزئینی و...

مزیت پرینت سه بعدی نسبت به فرایندهای ساخت سنتی
اساسی ترین ویژگی متمایز کننده پرینت سه بعدی از فرایندهای ساخت سنتی این است که پرینت سه بعدی یک فرایند ساخت افزایشی است .

پرینت سه بعدی یک روش ساخت کاملاً متفاوت بر اساس فناوری پیشرفته است که قطعات را به صورت افزایشی ( لایه گذاری متوالی ) تولید می کند.
در تولید سنتی محدودیت‌هایی وجود دارد. برای مثال، در قالب گیری و ریخته گری نیاز به طراحی و ساخت قالب می باشد.
فرایند CNC یک فرآیند تولید کاهشی می باشد. بنابراین محدودیت هایی دارد به طور مثال اگر قطعه ما یک حجم توخالی باشد و داخل قطعه دارای جزئیات باشد، CNC قادر به ساخت چنین قطعه ای نیست ولی با پرینتر سه بعدی به راحتی می‌توان چنین قطعه ای را ساخت. می توان گفت پرینتر سه بعدی انقلابی در طراحی و ساخت ایجاد کرده است.

پرینت سه بعدی یک فناوری توانمند است که توسط آن بدون ابزار و با کاهش هزینه ها می توان قطعات پیچیده را ساخت.

پرینتر سه بعدی فوتومسک ( MSLA ) Masked StereoLithography

MSLA از آرایه LED به عنوان منبع نور خود استفاده می کند، نور UV را از طریق یک نمایشگر LCD می تاباند و یک تکه لایه را به عنوان ماسک نمایش می دهد. به همین دلیل به این نام شناخته می شود. 

همانند DLP، فوتومسک LCD به صورت دیجیتالی نمایش داده می شود و از پیکسل های مربعی تشکیل شده است. سایز پیکسل های فوتومسک LCD کیفیت پرینت را تعیین می کند. بدین گونه که دقت محورهای X و Y ثابت شده است و بر خلاف DLP، به چگونگی زوم یا تنظیم لنز بستگی ندارد.

از دیگر تفاوت های بین تکنولوژی MSLA و پرینتر DLP می توان به استفاده MSLA از صدها ساطع کننده نور منفرد به جای منبع ساطع کننده نور تک نقطه ای مانند دیود لیزری یا لامپ DLP اشاره کرد.

MSLA تحت شرایط خاص می تواند در مقایسه با SLA به زمان پرینت کمتری دست یابد. زیرا تمام یک لایه به جای ترسیم مقطعی سطح با نقطه لیزر به صورت یکباره نمایش داده می شود.

پرینتر سه بعدی DED

 ( DED ) Directed Energy Deposition روش پرینتر سه بعدی است که از منابع انرژی متمرکز برای ذوب و ارجاع همزمان مواد به نازل استفاده می کند، به عنوان مثال انرژی پرتو لیزر، پرتو الکترون و قوس پلاسما. DED همانند سایر فرآیندهای ساخت افزودنی ( AM )، برای تعمیر یا ساخت قطعه جدید به کار می رود.

DED با توجه به منبع انرژی اسامی دیگری نیز دارد، که در زیر اشاره شده است:

1. Laser Engineered Net Shaping (LENS)
2. Direct Metal Deposition (DMD)
3. Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)
4. Directed Light Fabrication
5. 3D Laser Cladding

پرینتر سه بعدی DED با به کارگیری یک منبع گرما، پودر یا فیلامنت را ذوب می کند و طبق الگوی مشخص شده، مواد را روی یک سطح رسوب گذاری می کند تا لایه ها باهم جوش بخورند و ساختار مورد نظر را تشکیل دهند. پرینترهای سه بعدی  DED معمولا نازل هایی را به کار می برند که بر روی یک بازوی چند محوره نصب شده اند و می توانند در جهات مختلف امکان رسوب گذاری متغیر را فراهم کنند. این فرآیند معمولا در یک محفظه کنترل شده با کاهش سطح اکسیژن شکل می گیرد. مواقعی که منبع انرژی پرینتر پرتو الکترونی باشد، فرآیند الزاما باید در خلأ شکل گیرد. درحالی که سیستم های مبتنی بر لیزر هنگام کار با فلزات واکنش پذیر از یک محفظه کاملا بی اثر استفاده می کنند. همچنین می توان از یک گاز محافظ برای پوشاندن قطعه و جلوگیری از آلوده شدن آن در هنگام پرینت سه بعدی فلزی استفاده کرد. معمولا متریال مورد استفاده در این پرینتر سه بعدی، فلز است اگرچه در فرآیند مذکور  موادی مثل پلیمر و سرامیک نیز کاربرد دارد. در کل، هر نوع فلز قابل جوشکاری را می توان در DED  به کار برد؛ از جمله آلومینیوم، اینکونل ( Inconel )، نیوبیم ( niobium )، فولاد ضد زنگ، تانتالیوم ( tantalum ) ، تیتانیوم، آلیاژهای تیتانیوم و تنگستن.

 در این پرنیتر سه بعدی لایه ها 0.25 تا 0.5 میلیمتر ضخامت دارند و سرعت سرد شدن بسیار بالا حدود 1000 تا 5000 درجه سانتی گراد بر ثانیه است.

پرینتر سه بعدیDigital Light Processing ( DLP )

پرینتر سه بعدی DLP تقریبا شبیه پرینتر سه بعدی SLA است با این تفاوت که DLP از پروژکتورهای دیجیتال نوری استفاده می کند تا یک عکس از هر لایه را به یکباره منعکس کند (یا برای قطعه های بزرگ به صورت چندگانه ).

پروژکتور یک صفحه دیجیتالی است به همین دلیل، تصویر هر لایه از نقطه های مربعی تشکیل شده است، در نتیجه یک لایه از بلوک های کوچک مستطیلی که  voxel نامیده می شوند، شکل گرفته است.

نور، با استفاده از صفحه های دیودی ساطع کننده نور ( LED ) یا یک منبع نور UV، که هدایت شده برای ساخت یک سطح توسط دستگاه میکرو آینه دیجیتال ( DMD )، بر رزین ساطع می شود.

یک DMD آرایه ای از میکرو آینه ها است که مکان ساطع شدن نور و تولید یک الگوی نوری بر روی سطح ساخته شده را کنترل می کند. تعداد این میکروآینه ها بر کیفیت قطعه ساخته شده تأثیر گذار خواهد بود.

پرینتر سه بعدی DOD 

Drop on Demand (DOD) یکی از انواع پرینتر سه بعدی است که از یک جفت نازل، به طور هم زمان استفاده می کند. یکی از نازل ها ماده اولیه ساخت را رسوب گذاری می کند که معمولا مواد مشابه موم است. و دیگری برای مواد حل شدنی ساپورت گذاری استفاده می شود.

همانند دیگر پرینتر های سه بعدی، DOD نیز با پیروی از یک الگوی از پیش تعیین شده، لایه به لایه جسم را تولید می کند.

همچنین DOD از یک مگس برش برای صاف کردن سطح مقطع هر لایه استفاده می کند تا از کاملا صاف بودن سطح قبل از شروع لایه جدید اطمینان حاصل کند.

تکنولوژی DOD معمولا برای ساخت قالب های lost-wax casting یا investment casting و دیگر کاربردهای قالب سازی مناسب است.

پرینتر سه بعدی EBAM

( EBAM ) Electron Beam Additive Manufacturing پروسه شبیه به LENS دارد با این تفاوت که منبع انرژی آن پرتو الکترونی است که با توجه به نام آن کاملا واضح است. و هردو می توانند از منبع تغذیه مواد اولیه پودر و سیم استفاده کنند. همچنین EBAM نازل های جدا گانه برای مواد اولیه و منبع انرژی دارد.

فرآیند EBAM معمولا در خلأ انجام می گیرد این کار باعث کاهش مواد آلاینده و عدم نیاز به گازهای بی اثر می شود. پرتو الکترونی با ایجاد حوضچه مذاب و اضافه کردن مواد به جایی که دستور می گیرد، لایه ها را یکی پس از دیگری می سازد.

فلزات رایجی که در این روش استفاده می شوند عبارت اند از: آلیاژهای مس، تیتانیوم، کبالت و نیکل. تیتانیوم و تانتالیوم ( tantalum )خالص نیز استفاده می شود.

آلیاژ تیتانیوم پرمصرف ترین ماده برای استفاده از این روش پرینت سه بعدی برای ساخت قطعاتی مثل ایمپلنت های پزشکی ( به عنوان مثال تعویض مفصل ران ) است.  

پرینتر سه بعدی EBM 

( EBM ) Electron Beam Melting یکی از روش های پرینت سه بعدی بر پایه پودر است که متمایز از سایر روش ها از پرتو انرژی بالا یا الکترون برای القای ذوب بین ذرات پودر فلز استفاده می کند.

یک پرتو الکترون متمرکز شده در میان یک لایه نازک پودری می گذرد و فلز را به صورت متمرکز ذوب و پس از آن بر روی یک سطح مقطع خاص منجمد می کند، این سطوح، جسم جامد را می سازند. در این پرینتر از یک نازل برای خروج پودر و پرتوی الکترونی استفاده می شود.

تکنولوژی EBM در مقایسه با پرینتر های سه بعدی DMLS و SLM از سرعت پرینت بالاتری، به علت چگالی انرژی بالاتر برخوردار است . اما در عین حال مینیمم سایز ، سایز ذرات پودر، ضخامت لایه بزرگتر و همچنین نیاز به پرداخت سطحی بیشتر است. بنابراین نمی تواند به دقتی مشابه با دقت لیزر در پرینتر های سه بعدی مذکور دست پیدا کند .

همچنین  جنس متریال باید رسانا باشد زیرا پرتو های الکترونی بر پایه نیروی الکتریکی کار می کنند. لازم به ذکر است تمام پروسه پرینت قطعات EBM الزاما در خلأ صورت می گیرد زیرا، فلزات هنگام ذوب شدن در دمای بالا تمایل به اکسیداسیون در آنها بیشتر می شود که این موجب شکنندگی قطعه تولید شده می گردد. در حالی که پرینتر سه بعدی EMB با انجام فرآیند در خلأ با دمای بالا و محیطی بدون اکسیژن که باعث کاهش تنش درونی شده و موجب تولید قطعه ای، دارای خاصیت فنری بیشتر و منعطف تر می شود.

پرینتر سه بعدیMJ

Material Jetting ( MJ ) مانند پرینتر های سه بعدی معمولی است با این تفاوت که به جای پرینت تنها یک لایه، چندین لایه را هم زمان روی یک دیگر، برای ساخت قطعه پرینت می کند.

نازل پرینت، صدها قطره فوتوپلیمری بسیار کوچک را پرتاب می کند و آنها را توسط نور فرا بنفش سفت می کند. پس از آنکه یک لایه رسوب گذاری شد، بستر ساخت به اندازه ضخامت یک لایه پایین می رود و این پروسه تکرار می شود تا قطعه ساخته شود.

رسوب گذاری و پخت مواد در MJ متفاوت از سایر پرینتر های سه بعدی است. در این پرینتر سه بعدیبرای دیپوزیت یا پخت، به جای استفاده از یک نقطه که الگوی شکل دهنده سطح مقطع لایه ها را دنبال می کند، از رسوب گذاری نقطه ای استفاده می کند. این پرینترها مواد را به صورت سریع و خطی رسوب گذاری می کنند.

برتری رسوب گذاری خطی در پرینتر سه بعدی MJ این است که، می تواند چند قطعه را در یک خط تولید کند بدون هیچ تاثیری بر سرعت ساخت. تا زمانی که مدل ها صحیح چیده شوند و فضای درون هر خطِ ساخت بهینه شده باشد؛ پرینتر MJ سریعتر از سایر پرینتر های سه بعدی خواهد بود.

قطعات ساخته شده توسط MJ نیاز به ساپورت گذاری دارند که این ساپورت ها از مواد حل شدنی در طول پرینت همزمان با قطعه ساخته می شوند و در مرحله پرداخت حذف می شوند.

MJ تنها نوع پرینتر سه بعدی است که برای پرینت قطعاتی با چند نوع متریال و رنگ، پیشنهاد می شود.

پرینتر سه بعدی MJF

تکنولوژی Multi Jet Fusion یکی از رایج ترین پرینتر ها برای ساخت قطعاتی با دقت و دوام بالا است. این پرینت سه بعدی بر پایه پودر است اما لیزر ندارد و پروسه ای مشابه با binder jetting دارد.

در پرینتر سه بعدی مولتی جت سر پرینتر یک لایه نازک از مواد پودری را بر روی بستر چاپ می ریزد سپس نازل در سرتاسر مواد پودری حرکت کرده و دو نوع مختلف عامل مایع را روی لایه پودری رسوب گذاری می کند، عامل ذوب و عامل جزئیات. بعد از آن واحد گرمایشی( نورUV ) از سرتاسر بستر پودری عبور کرده و هرجایی که عامل ذوب اضافه شده باشد، لایه زیرین آن را ذوب کرده و به یک شکل خاص فرم می دهد. درحالی که عامل جزئیات بدون آنکه ذوب شود، مانند پودر، باقی می ماند. کاربرد عامل جزئیات، تعیین کردن درستی و دقت ابعادی قطعه در حال پرینت است. سپس قسمت های پودری ریخته می شوند و قسمت های چاپ شده با هندسه مورد نظر را به جا می گذارند. همچنین نیاز به مدل سازی ساپورت ها را از بین می برد، زیرا لایه های زیرین نقش ساپورت را برای لایه های بالایی خود ایفا می کنند.

مولتی جت با دیگر تکنولوژی های پرینت سه بعدی متفاوت است زیرا درحالی که لایه های قبلی در حال ذوب شدن هستن، لایه های جدید جایگذاری می شود و این باعث می شود که هردو لایه کاملا ذوب شوند و قطعه ای با دوام تر و با جزئیات بیشتری را تولید کنند.

بعد از کامل شدن پروسه پرینت، مواد پودری ذوب نشده توسط دستگاه وکیوم جمع آوری شده و دوباره مورد استفاده قرار می گیرند.

MJF یک پروسه پرینتر سه بعدی است که قطرات مواد را به صورت انتخابی بر روی بستر ساخت رسوب گذاری و سخت می کند. MJF از موادی مثل فوتوپلیمر یا موم که با در معرض نور UV قرار گرفتن سخت می شوند برای ساخت هر لایه در یک زمان استفاده می کند. در MJF می توان برای ساخت یک قطعه از چندین ماده مختلف در یک زمان استفاده کرد و به این علت می توان قطعات را در رنگ ها و بافت های متعدد پرینت کرد.

پرینتر سه بعدی SHS

فرآیند ( SHS ) Selective Heat Sintering rapid prototyping برای پرینت اجسام سه بعدی شبیه به تکنولوژی SLS است با این تفاوت که، به جای لیزر پرقدرت از یک هد چاپ حرارتی که به صورت خطی تاثیر می گذارد، استفاده می کند.

این پرینتر تنها برای استفاده از پودر ترموپلاستیک طراحی شده است. یک غلتک لایه ای از پودر پلاستیک را روی بستر ساخت گرم شده می ریزد. هد چاپ حرارتی سطح مقطع جسم را بر روی پودر ترسیم می کند و مقدار کافی حرارت، برای سفت شدن لایه اول پودری اعمال می کند. با کامل شدن لایه اول، این پروسه تکرار می شود تا جسم مورد نظر شکل بگیرد. پودرهای اضافی اطراف جسم به آماده کردن ساپورت برای کامل کردن شکل و برآمدگی های جسم کمک می کند. همچنین پودرهای اضافی برای پرینت بعدی دوباره استفاده می شود.

به دلیل اینکه هد چاپ حرارتی ارزان تر از لیزر است، هزینه کلی SHS مقرون به صرفه تر از SLS است. همچنین در پرینتر SLS اجسام  با رسوب گذاری تولید می شوند در حالی که در پرینتر SHS با گرم کردن، ماده اولیه جامد شده و شکل می گیرد.

پرینتر سه بعدی بایندر جت ( Binder Jetting ) 

چگونه مواد پودری صنعتی را به قطعات و ابزار تبدیل کنیم؟

Binder Jetting یکی از چندین روش پرینت سه بعدی است. روش کار آن به این صورت است که یک تیغه یک لایه نازک مواد پودری را بر روی سطح پخش می کند، سپس یک نازل حرارتی (همانند نازلی که در پرینت دو بعدی از آن استفاده می شد ) و یک مایع اتصال دهنده ( قطرات چسب ) را در حین حرکت روی لایه نازک مواد پودری بر اساس مدل از پیش تعیین شده نشست می دهد به این ترتیب مواد پودری به یک دیگر چسبیده و سخت می شوند. پس از تکمیل لایه اول بستر چاپ کمی پایین تر رفته، تیغه دوباره یک لایه مواد را پخش می کند و مجددا تمام فرآیند تکرار می شود تا قطعه تکمیل شود. پس از چاپ قطعه در پودر محصور می شود تا خشک شود و استحکام پیدا کند. سپس قطعه از پودر خارج شده و با هوای تحت فشار تمیز می شود.

پس از این قطعات معمولا به یک مرحله پس پردازش نیاز دارند زیرا هنگام خروج از پرینتر اصطلاحا در حالت خام ( green state ) بوده، در این حالت از نظر خواص مکانیکی ضعیف بوده و شکننده و متخلخل هستند و نیاز به پرداخت حرارتی دارند. قطعات فلزی معمولا به دو روش sintering و Infiltration ( با فلز برنز خلل و فرج پر می شود) پرداخت می شوند.

مروری کوتاه بر تاریخ پرینتر سه بعدی

در اواخر دهه ۱۹۸۰ فناوری پرینت سه‌بعدی را نمونه سازی سریع می نامیدند؛ چون به عنوان روشی سریع و مقرون به صرفه برای ساخت نمونه‌های اولیه تصور می شد.
فناوری پرینت سه‌بعدی در ماه می سال ۱۹۸۰ در ژاپن توسط دکتر کوداما ثبت شد.
در سال ۱۹۸۶ اختراع دستگاه استریولیتوگرافی ( SLA ) توسط چارلز هال ثبت شد. او اولین دستگاه SLA را در سال ۱۹۸۳ اختراع کرد.
اولین دستگاه نمونه سازی سریع تجاری با نام SLA-1 در سال ۱۹۸۷ معرفی شد و پس از بررسی های دقیق در سال ۱۹۸۸ به فروش رسید.
کارل دکارد در سال ۱۹۸۷ در آمریکا فرآیند چاپ پخت لیزر به صورت انتخابی ( SLS ) را ثبت کرد.
در سال ۱۹۸۹ اسکات کراپ یکی از موسسان شرکت استرا تاسیس مدل‌سازی رسوب‌گذاری ذوب ( FDM ) را اختراع کرد و در سال ۱۹۹۲ این اختراع به نام شرکت استراتاسیس ثبت شد.
در سال ۱۹۹۶ در موسسه فناوری لیزر فران هوفر در آلمان فرایند ذوب لیزر به صورت انتخابی ( SLM ) آغاز شد و در سال ۲۰۰۰ معرفی گردید.
اولین پرینترهای سه بعدی ارزان قیمت با قیمتی کمتر از ۱۰۰۰۰ دلار در سال ۲۰۰۷ به بازار آمدند.
با توجه به اینکه چاپ سه بعدی یک فن آوری می باشد مانند دیگر فناوری ها زندگی بشر را از جنبه های مختلف تحت تاثیر قرار داده و به مرور زمان رو به رشد و در حال تکامل می باشد.

 تفاوت پرینترهای سه بعدی slm و dmls

 هر دو این پرینترهای سه بعدی برای ساخت قطعات فلزی به کار میروند. در این پرینتر ها نیز مانند دیگر پرینترهای سه بعدی ابتدا فایل دیجیتال سه بعدی توسط نرم افزار به صورت لایه به لایه در می آید و سپس هر لایه با استفاده از پودر فلز و نور لیزر به شکل جامد درآمده و این کار تکرار می گردد تا قطعه نهایی ساخته شود.

در پرینتر سه بعدی SLM انرژِی ثابت از نور لیزر بر روی پودر فلز از یک جنس ثابت کار می کند ولی در پرینتر سه بعدی DMLS نور لیزر با انرژی و دمای متفاوت بر روی پودر فلزات و آلیاژهای متفاوت کار می کند و در نتیجه قطعه ساخته شده از فلزات و آلیاژهای متفاوتی ساخته میشود که کاربردهای خاص خود را دارند. 

پرینتر سه بعدی FDM

Fused deposition modeling یا پرینتر سه بعدی FDM یک روش ساخت افزودنی است که مواد به صورت لایه ای طبق الگوی از پیش تعیین شده رسوب گذاری می شوند تا جسم مورد نظر ما شکل بگیرد. متریال بعد از گذشت از دمای انتقال شیشه خود ذوب می شوند و طبق الگوی تعیین شده اکسترود می شوند تا جسم را لایه به لایه بسازند.

به زبان ساده یک پرینتر سه بعدی FDM با فشردن فیلامنت پلاستیکی درون هات اند و ذوب کردن آن، فیلامنت را به صورت لایه هایی روی بستر چاپ پرینتر، اکسترود می کند. این لایه ها در یک دیگر ذوب شده و در نهایت جسم مورد نظر مارا می سازند.

بسیاری از انواع متریال وجود دارد که می توان با تکنیک های FDM استفاده کرد از جمله رایج ترین آن ها: ترموپلاستیک ها، شکلات، خمیرها و حتی مواد عجیب مثل ترموپلاستیک مخلوط شده با چوب (فیلامنت چوب) است.

پرینتر سه بعدی FDM ارزان ترین و سریع راه برای رسیدن به پرینت سه بعدی است، اگرچه مزایای زیادی نسبت به سایر روش های پرینت سه بعدی دارد اما نقاط ضعفی نیز دارد که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم.

مزایا و معایب

اصلی ترین مزیت پرینتر سه بعدی FDM نسبت بسیار عالی هزینه به ساخت آن است به طوری که با قیمت پایین امکان پرینت قطعات بزرگ وجود دارد. یکی از معایب اصلی پرینتر سه بعدی FDM این است که با افزایش حجم قطعه پرینت سه بعدی، کیفیت آن کاهش می یابد.

از دیگر مزایای پرینتر سه بعدی می توان به مقرون به صرفه بودن آن اشاره کرد. اکثر پرینتر های سه بعدی رایج در بازار گران نیستند. همچنین مواد اولیه آن ها یعنی فیلامنت ها نیز ارزان هستند. همه ی این موارد کار با پرینتر سه بعدی FDM را مقرون به صرفه می کنند. همچنین پرینتر FDM پیچیدگی چندانی ندارد در عوض یکی از آسان ترین پرینتر های سه بعدی است که هر فردی می تواند با آن کار کند.

پرینتر سه بعدی FDM جای کمی را اشغال می کند و با طیف گسترده ای از انواع فیلامنت تغذیه می شود که این باعث می شود امکان پرینت هر قطعه ای در رنگ ها و جلوه های مختلف را داشته باشد حتی قطعاتی با ظاهر فلزی یا چوبی. (با استفاده از فیلامنت چوب یا فیلامنت فلزی).

اما از معایب پرینتر سه بعدی FDM می توان به ناصاف بودن سطح قطعه پس از پایان پروسه پرینت اشاره کرد. بنابراین قطعات پرینت سه بعدی نهایی به پرداخت نیاز دارند. همچنین زمان زیاد پرینت ،گرفتگی نازل و نچسبیدن لایه اول به صفحه چاپ از دیگر معایب رایج پرینتر سه بعدی FDM است.

پرینتر سه بعدی SLA

پرینتر سه بعدی (SLA) Stereolithography یا پرینتر سه بعدی رزینی به خاطر توانایی در تولید نمونه هایی با دقت بالا، کاملا همگرا، آب بندی شده و قطعاتی با ویژگی های ظریف و سطح صاف معروف است.

استریولیتوگرافی متعلق به خانواده ای از فناوری های تولید افزودنی است که به عنوان فوتوپلیمریزاسیون vat نام گذاری می شوند که معمولاً ما به عنوان چاپ سه بعدی رزین می شناسیم . همه این ماشین‌ها بر اساس یک اصل ساخته شده‌اند و از یک منبع نور ( لیزر یا پروژکتور ) برای تبدیل رزین مایع به پلاستیک سخت شده استفاده می‌کنند. تمایز اصلی فیزیکی در آرایش اجزای هسته مانند منبع نور، پلت فرم ساخت و مخزن رزین نهفته است. پرینتر های سه بعدی SLA از پلاستیک ترموست واکنش پذیر به نور به نام رزین استفاده می کنند. هنگامی که رزین‌های SLA در معرض طول موج‌های خاصی از نور قرار می‌گیرند، زنجیره‌های مولکولی کوتاه به هم می‌پیوندند و مونومرها و الیگومرها را به شکل هندسه‌های سفت یا انعطاف‌پذیر پلیمریزه می‌کنند.

قطعات SLA بالاترین وضوح، دقت، واضح ترین جزئیات و صاف ترین سطح را در میان تمام تکنولوژی های پرینتر سه بعدی دارند اما بزگترین مزیت SLA در تطبیق پذیری آن است.

سازندگان مواد، فرمولاسیونی جدید در رزین SLA با طیف گسترده ای از خواص نوری، مکانیکی و دمایی ایجاد کرده اند تا با استاندارهای مهندسی و صنعتی مطابقت داشته باشد.

چگونگی کارکرد پرینتر سه بعدی SLA

بعد از طراحی قطعه خود در نرم افزارهای CAD در این روش با استفاده از تاباندن نور لیزر ماوراء بنفش ( UV ) به سطح یک ماده پلیمری مایع ، قطعه مورد نظر ساخته می شود. این ماده نوعی پلیمر مایع است که بر اثر تابیده شدن نور ماوراء بنفش منعقد می شود. ساخت قطعه در چنین پرینتر های سه بعدی به این صورت است که: نور لیزر به سطح پلیمر مایع حساس به نور و به شکل لایه اول قطعه مورد نظر تابیده و به سطح میز کار می چسبید سپس میزکار به اندازه ضخامت لایه بعدی به سمت بالا حرکت می کند و دوباره لیزر بر اساس شکل لایه دوم به سطح رزین تابیده شده و به همین صورت تا لایه آخر پیش می رود و در نهایت قطعه از داخل مایع ساخته می شود.      

به محض اینکه پرینت کامل شد، لازم است قطعه در isopropyl alcohol (IPA)  شسته شود تا هرگونه رزین اضافی و پخته نشده از آن جدا شود. بعد از شست و شو و خشک کردن قطعه بعضی از مواد نیاز به بازپخت دارند؛ یک فرآیند که به قطعات کمک می کند تا به بالاترین حد استحکام و پایداری خود دست یابند و در آخر ساپورت ها را از قطعه جدا می کنیم.

                                                                                   نمونه ای از پرینتر سه بعدی SLA                                                             روش پرینت سه بعدی FDM